Download A táplálékfelvétel, a só- és vízháztartás neuroanatómiája

Funkcionális neuroanatómia
5.
A táplálékfelvétel, a só- és vízháztartás
neuroanatómiája
2011 - Neuromorfológia PhD program
food intake
receptors
gastrointestinal
brain
food intake
receptors
gastrointestinal
brain
humoral inputs
NTS / AP
hypothalamic
CIRCUMVENTRICULAR ORGANS
subfornical organ
area postrema
OVLT
arcuate nucleus
subcommissural organ
Circumventricularis szervek
Kamrakörüli területek gazdag vérellátással, ahol hiányzik a vér-agy gát. Az
állatvilágban, főleg a phylogenesis alsóbb fokán igen jelentősek, emberben
nem mindegyik található meg. Ide soroljuk a szubfornikális szervet, az area
postremát, az eminentia medianát a nucleus arcuatus egy részével, és az
organum vasculosum laminae terminalist. Tágabb értelemben ide tartozik a
hypophysis hátsó lebenye és a corpus pineale is.
Area postrema
Az ún. circumventriculáris szervek közé tartozik, melyek az agykamrák
falánál jellegzetes sejtcsoportokat alkotnak, területükön nincs vér-agy gát.
Mint ilyen, az area postrema, mely emberben az obexnél a IV. kamra két
oldalán helyezkedik el, a nyúltvelő „nyitott kapujának” tekinthető, melynek
erein át a nyúltvelő viszceroszenzoros központja (nucleus tractus solitarii)
humorális afferentációt kap. Az area postremát a n. vagus idegzi be. Sokáig
„hányás központ”-ként volt ismeretes.
AP
Szubfornikális szerv – SFO (subfornical organ)
Vér-agy gát-mentes circumventriculáris szerv, a hypothalamus egyik
„kapuja”, a foramen interventricularénál domborodik be a kamraüregbe. Az
agy angiotensin II. receptorban leggazdagabb területe. Rostjai a lamina
terminalis mentén érik el a preopticus areát és az elülső hypothalamust.
vHC
LV
vHC
vHC
LV
III.
III.
LV
rat
human
3V
LEPTIN
- acts on the brain to inhibit feeding
- the effects of leptin on appetite and energy balance are
mediated by hypothalamic neurons: basal hypothalamic
lesions prevent leptin action in the brain
- brain microvessels bind and internalize leptin. Leptin may gain
access to neurons by receptor mediated transcytosis
- leptin receptors (Ob-Rb) are expressed by arcuate,
paraventricular, ventromedial and dorsomedial neurons
- leptin reduces NPY levels and NPY mRNA expression in the
arcuate nucleus
- leptin stimulates POMC mRNA expression in the arcuate, CRH
mRNA expression in the paraventricular nucleus
- leptin activates CART neurons in the arcuate nucleus that
project to sympathetic preganglionic neurons in the spinal cord
INSULIN
- insulin stimulates leptin expression and release
- insulin activates sympathetic activity and thermogenesis
- insulin receptors and insulin receptor substrate protein (IRS-1)
are expressed in arcuate neurons
- insulin inhibits NPY expression in the arcuate nucleus
GHRELIN
- ghrelin stimulates food intake
- it is predominantly synthesized in the stomach
- it stimulates NPY, CRH and growth hormone release
- it is also expressed in the arcuate nucleus
- NPY appears to be important in mediating the orexigenic
action of ghrelin
food intake
receptors
gastrointestinal
brain
humoral inputs
NTS / AP
hypothalamic
neuronal pathways
vagal afferents
NEURONAL INPUTS
- to the NTS
- vagal inputs (from the stomach and the duodenum)
- taste signals (facial and glossopharyngial)
Nucleus tractus solitarii (Nucleus of the solitary tract – NTS)
Primer viszceroszenzoros mag a nyúltagy dorsalis részében.
Viszceroszenzoros általános és viszceroszenzoros speciális (ízérző) rostok
kapcsolódnak itt át. Rostokat kap a gerincvelőből is (tractus spinosolitarius).
Felszálló viszceroszenzoros rostjai az amygdalában és a hypothalamusban,
ízérző rostjai az insuláris kéregben végződnek. Az NTS érző neuronjai a
vagus viszceromotoros neuronjaival (nucleus motorius dorsalis vagi) az
autonóm szabályozó reflexívek részei. Artériás ellátása egyedi a dorsális
medullában, a posterior inferior cerebelláris artéria látja el az area
postremán keresztül. Az erek jelentős részén nincs vér-agy gát, így az NTS
a nervus vaguson és a gerincvelőn kívül jelentős humorális afferentációt is
kap.
NUCLEUS OF THE SOLITARY TRACT
- gastrointestinal viscerosensory nerve terminals
- glucagon-like peptide-1, CCK, NPY, somatostatin
- CCKA receptors
- leptin, ghrelin and insulin receptors
- m, d, k opiate receptors
- CB1 receptors
- m-opiate receptor agonist injected into the NTS
stimulates food intake
- short-term signals related to the quality and
quantity of food ingested
food intake
receptors
gastrointestinal
brain
humoral inputs
NTS / AP
hypothalamic
neuronal pathways
vagal afferents
NTS – ascending
food intake
NEURONAL INPUTS
- short-term signals related to the quality and quantity of food ingested
- strech- and mechanoreceptors trigger signals to the CNS through vagal nerve
- signals are relayed in the nucleus of the solitary tract (NTS) and ascending fibers
terminate in the paraventricular, ventromedial and dorsomedial hypothalamic nuclei
food intake
NEURONAL INPUTS
- short-term signals related to the quality and quantity of food ingested
- strech- and mechanoreceptors trigger signals to the CNS through vagal nerve
- signals are relayed in the nucleus of the solitary tract (NTS) and ascending fibers
terminate in the paraventricular, ventromedial and dorsomedial hypothalamic nuclei
Nucleus paraventricularis hypothalami
A hypothalamus egyik legjelentősebb magja, magno- és parvocellularis
részre osztható. A magnocelluláris neuroszekretoros sejtek vasopressint és
oxytocint termelnek, axonjaik a tractus hypothalamo-hypophysealis egy
részét alkotják, és a hypothalamus hátulsó lebenyében végződnek. A
parvocelluláris neuroszekretoros idegsejtek több peptiderg neurohormont
(corticotropin-releasing hormon – CRH, thyrotropin-releasing hormon –
TRH, vasopressin) és neuromodulátort (neuropeptidet) termelnek. A
parvocellularis neuronok egy része az eminentia mediana portális erei
révén juttatja el termékét a hypophysis elülső lebenyébe, másik részük a
nyúltvelőbe és a gerincvelőbe projíciál. A CRH-termelő idegsejtek révén a
paraventriculáris magot a stresszválasz központi részének, a „hypothalamohypophysis-mellékvesekéreg szabályozó rendszer” („HPA axis”) kiinduló
pontjának tekintik.
Nucleus arcuatus
A hypothalamus magja a III. kamra alsó részének két oldalán, a
retrochiasmaticus area és a corpus mamillare kezdete között, közvetlenül
az eminentia medianától dorsolaterálisan. Sejtjeik számos neuropeptidet és
peptid receptort, egy részük dopamint (A12 catecholamin sejtcsoport)
termel. Emberben nucleus infundibularisnak is nevezik. Neuronjai a
hypothalamus más magjaihoz és a nyúltvelői és gerincvelői autonóm
sejtekhez projíciálnak. A mag mediális részében nincs vér-agy gát. Jelentős
szerepet visz a táplálékfelvétel idegrendszeri szabályozásában.
Nucleus dorsomedialis hypothalami
A hypothalamus középső részében, a harmadik agykamra két oldalán, a
nucleus ventromedialis felett helyezkedik el. Neuronjai több szubdivíziót
alkotnak, melyek a táplálékfelvétel központi szabályozásában és a stressz
válaszban visznek szerepet.
VENTROMEDIAL NUCLEUS
- lesioning of this nucleus (electrolytic or gold thioglucose)
induces hyperphagia and resulted in extreme obesity
- stimulation of ventromedial neurons suppress feeding
- injections of leptin and urocortin into the nucleus inhibit,
injections of NPY, β-endorphin or galanin stimulate
feeding
- local administration of 2-deoxy-glucose (cellular
glucoprivation) evokes rapid increases in plasma levels
of glucose
food intake
receptors
gastrointestinal
brain
humoral inputs
NTS / AP
hypothalamic
neuronal pathways
vagal afferents
NTS – ascending
hypothalamic circuits
INTRAHYPOTHALAMIC NEURONAL CIRCUITS
- arcuate – PVN projection
- arcuate – dorsolateral hypothalamic projections
- intraarcuate interactions
- intrahypothalamic orexin projections
NEUROPEPTIDE Y (NPY)
- NPY is the most potent orexigenic agent known
- NPY neurons in the arcuate nucleus co-express AgRP
- arcuate preproNPY mRNA level is increased by food deprivation
- arcuate NPY cells express leptin receptors (Ob-Rb form)
- expression of NPY mRNA in the arcuate nucleus is inhibited by leptin and insulin
- the appetite-promoting effect of NPY is mediated by NPY Y5 receptors
- glucose, as well as carbohydrate-reach meal causes rapid increase in NPY level and
NPY mRNA expression in the arcuate nucleus
- 2-deoxy-glucose, which blocks glucose utilization stimulates the expression and
production
of NPY in the arcuate nucleus
AGOUTI-RELATED PEPTIDE (AgRP)
- AgRP-NPY neurons in the arcuate nucleus project to the paraventricular and
dorsomedial nuclei, act on MCR4 receptors to increase feeding
- AgRP injections into the paraventricular nucleus result in a long-lasting food intake
- leptin inhibits AgRP expression in arcuate neurons
- AgRP blocks the inhibitory action of POMC on food intake
- AgRP binds to MC4 receptors and antagonize the action of α-MSH
PRO-OPIOMELANOCORTINS (POMC)
- leptin stimulates POMC expression in the arcuate nucleus
- POMC and leptin receptors are co-expressed in arcuate neurons
- POMC is co-expressed with CART peptide
- α-MSH released from arcuate POMC axons in the paraventricular
nucleus exerts anorexic effects by acting on MC4 receptors
CART (cocaine- and amphetamine-regulated trascript) PEPTIDE
- CART mRNA expression is down-regulated in food-deprived rats
- I.c.v. given CART inhibits food intake
- CART peptide blocks the feeding response induced by NPY
- CART cells in the arcuate nucleus express leptin receptors
- CART expression in the arcuate nucleus is stimulated by leptin
OREXINS (HYPOCRETINS)
- orexin enhances food intake when injected into the
hypothalamus
- orexin levels are markedly elevated during starvation and
decrease by refeeding
- food deprivation (48 h) upregulates prepro-orexin mRNA
levels in the hypothalamus
- orexin expression is blocked by leptin
- orexin cells are innervated by arcuate NPY and POMC
fibers
- orexin-1 receptors are present in the ventromedial,
orexin-2 receptors in the paraventricular nucleus
MELANIN CONCENTRATING HORMONE (MCH)
- MCH has a stimulatory effect on feeding: i.c.v. given
MCH increases food intake
- MCH expression is inhibited by leptin
- MCH neurons co-express leptin receptors
- there are abundant NPY terminals of arcuate origin on
MCH neurons
GALANIN
- endogenous galanin contributes to the natural appetite
for fat
- central administration of galanin produces a strong
feeding response
- leptin and insulin inhibit galanin mRNA expression
- galanin is present in the paraventricular and arcuate
nuclei and in the lateral hypothalamus
CART (cocaine- and amphetamine-regulated trascript) PEPTIDE
- CART mRNA expression is down-regulated in fooddeprived rats
- I.c.v. given CART inhibits food intake
- CART peptide blocks the feeding response induced by NPY
- CART cells in the arcuate nucleus express leptin receptors
- CART expression in the arcuate nucleus is stimulated by
leptin
UROCORTINS
- urocortin III. neurons are located in the dorsomedial
hypothalamus with ventromedial projections
- urocortin III. neurons here co-express enkephalin
- neurons here contain leptin receptors (Ob-Rb receptors)
- neurons here are activated by leptin (c-fos expression)
- urocortin III. acts on CRH2 receptors in the ventromedial
nucleus
- urocortin acts as endogenous activators of anorexia. Its
anorexic effect appears to be more potent than that of
CRH
PARAVENTRICULAR NUCLEUS
- lesioning of the nucleus induces hyperphagia
- hypoglycemia increases c-fos and CRH mRNA
expressions in the nucleus
- paraventricular CRH increases sympathetic output and
results in a long-lasting reduction of food intake (anorexic
effect)
- leptin activates neurons innervating the paraventricular
nucleus
- CRH2 receptors mediate the inhibitory effect on feeding
STIMULATION OF FOOD INTAKE
INHIBITION OF FOOD INTAKE
OREXIGENIC PEPTIDES
ANOREXIGENIC PEPTIDES
neuropeptide Y (NPY)
agouti-related peptide
(AgRP)
orexins (hypocretins)
melanin
concentrating
hormone (MCH)
galanin
β-endorphin
dynorphins
ENDOCANNABINOIDS
POMC
(especially a-MSH)
CART peptide
corticotropin
releasing hormone
(CRH)
urocortin III
cholecystokinin
(CCK)
glucagon-like peptide
(GLP-1)
PrRP
CGRP
amylin
ENDOCANNABINOIDS
- both peripheral and central administrations of anandamide
stimulate food intake
- anandamide and 2-arachidonoyl-glycerol (2-AG) levels in the
hypothalamus are reduced by leptin
- CB1 receptor antagonist, SR141716 suppresses appetite,
reduces food intake and body weight
- endogenous cannabinoid system may modulate the appetitive
value of the food by affecting the activity of brain reward systems
- high concentration of CB1 mRNA in the hypothalamic
ventromedial nucleus
- 2-AG is present in hypothalamic areas involved in feeding
- CB1 receptor KO mice eat less and loose body weight
- CB1 receptor KO mice show increased CRH mRNA in the
paraventricular nucleus and reduced CART mRNA levels in the
dorsolateral hypothalamus
ANANDAMIDE
1h post mortem
INTRAHYPOTHALAMIC NEURONAL CIRCUITS
- arcuate – PVN projection
- arcuate – dorsolateral hypothalamic projections
- intraarcuate interactions
- intrahypothalamic orexin projections
food intake
receptors
gastrointestinal
brain
humoral inputs
NTS / AP
hypothalamic
neuronal pathways
vagal afferents
NTS – ascending
hypothalamic circuits
neuronal outputs
A SÓ- ÉS VÍZHÁZTARTÁS
KÖZPONTI SZABÁLYOZÁSA
CRH
LH-RH
SOM
GH-RH
Gömöri’s staining
Hypothalamo-hypophysis rendszer
Két részből, a nagysejtes hypothalamo-neurohypophysealis és a kissejtes
tubero-infundibuláris rendszerből tevődik össze. A nagysejtes supraopticus
és paraventriculáris neuronok vasopressint és oxytocint termelnek, axonjaik
jelentős része (a supraopticus esetében az összes) a neurohypophysisben
végződnek, ami quasi raktára a vasopressinnek és az oxytocinnak. A
tubero-infundibuláris neuronok a hypophysis elülső részében levő endokrin
sejtek neurohormonjaik termelésének szabályozását és felszabadításukat
(release-t) végzik. A hypothalamus különböző részeiben termelődő
neurohormonok nem közvetlen úton, hanem neurohumorális transzport
révén jutnak a hypophysisbe: axonjaik az eminentia mediana vér-agy gátmentes kapillárisaiba ürítik szállított termékeiket, melyek a portális erek
révén jutnak a hypophysis elülső lebenyébe.
Hypothalamus szerepe a só- és vízháztartás szabályozásában
A vasopressin a magnocellularis paraventricularis és supraopticus
magokban termelődik. A vasopressint korábban antidiureticus hormonként
(ADH) írták le, és ez az elnevezés ma is használatos a klinikumban. A
vasopressin szintézisében és a neurohypophysisbe juttatásában, illetve az
onnan történő felszabadításában két másik hormon az angiotensin II, és
atrialis natriureticus hormon visz szerepet. Az előző a vesében termelődő
renin-angiotensin rendszer aktív tagja, mely a vér-agy-gát-mentes
subfornicalis szerven keresztül jut be az agyba, míg az utóbbit a preopticus
area neuronjai termelik.
Nucleus tractus solitarii (Nucleus of the solitary tract – NTS)
Primer viszceroszenzoros mag a nyúltagy dorsalis részében.
Viszceroszenzoros általános és viszceroszenzoros speciális (ízérző) rostok
kapcsolódnak itt át. Rostokat kap a gerincvelőből is (tractus spinosolitarius).
Felszálló viszceroszenzoros rostjai az amygdalában és a hypothalamusban,
ízérző rostjai az insuláris kéregben végződnek. Az NTS érző neuronjai a
vagus viszceromotoros neuronjaival (nucleus motorius dorsalis vagi) az
autonóm szabályozó reflexívek részei. Artériás ellátása egyedi a dorsális
medullában, a posterior inferior cerebelláris artéria látja el az area
postremán keresztül. Az erek jelentős részén nincs vér-agy gát, így az NTS
a nervus vaguson és a gerincvelőn kívül jelentős humorális afferentációt is
kap.
Nucleus paraventricularis hypothalami
A hypothalamus egyik legjelentősebb magja, magno- és parvocellularis
részre osztható. A magnocelluláris neuroszekretoros sejtek vasopressint és
oxytocint termelnek, axonjaik a tractus hypothalamo-hypophysealis egy
részét alkotják, és a hypothalamus hátulsó lebenyében végződnek. A
parvocelluláris neuroszekretoros idegsejtek több peptiderg neurohormont
(corticotropin-releasing hormon – CRH, thyrotropin-releasing hormon –
TRH, vasopressin) és neuromodulátort (neuropeptidet) termelnek. A
parvocellularis neuronok egy része az eminentia mediana portális erei
révén juttatja el termékét a hypophysis elülső lebenyébe, másik részük a
nyúltvelőbe és a gerincvelőbe projíciál. A CRH-termelő idegsejtek révén a
paraventriculáris magot a stresszválasz központi részének, a „hypothalamohypophysis-mellékvesekéreg szabályozó rendszer” („HPA axis”) kiinduló
pontjának tekintik.
NUCLEUS ACCUMBENS
- the nucleus accumbens has been shown to be particularly
involved in mediating the affective response to food
- lesions of the accumbens nucleus do not reduce food intake,
it might be involved in the rewarding aspects of feeding
- feeding responses can be elicited following direct
administration of opiates, m- and d-selective opioid receptor
agonists into the shell portion of the nucleus
- microinjections of GABAA agonist muscimol into the
accumbens nucleus exhibit feeding response, activate
hypothalamic orexin neurons and inhibit POMC neurons
- the nucleus contains high levels of MCH and cannabinoid
receptor mRNA
Vasopressin